软plc控制技术综述

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1、软软 PLC 控制技控制技术综术综述述开放式数控系统是当前数控技术研究的热点。在发展高速高效高精度及智能化等 性能的同时，功能的发展也要求越来越强，具体体现在尽量用软件来实现数控的所有 功能，使硬件规模达到最小化。以 PC 为硬件平台，用软件来实现 PLC 的功能（即软 PLC）成为开放式数控系统中 PLC 的发展趋势。描述了软 PLC 技术的组成结构和应用 特点，并对其技术优势和技术发展的制约因素进行了分析，探讨了软 PLC 技术在工业 领域的应用控制方案。软 PLC 编译程序和模拟运行程序运行效率较高，且显示硬 PLC 不可比拟的优越性，非常适合应用于开放式数控系统中。一、软件一、软件 P

2、LC 技术的形成背景技术的形成背景20 世纪 90 年代后期，人们逐渐认识到，传统 PLC（本文简称硬 PLC）自身存在 着这样那样的缺点：难以构建开放的硬件体系结构；工作人员必须经过较长时间的专 业培训才能掌握某一种产品的编程方法；传统 PLC 的生产被几家厂商所垄断，造成 PL C 的性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统 PLC 发展的因素。近年来，随着计 算机技术的迅猛发展以及 PLC 方面国际标准的制定，一项打破传统 PLC 局限性的新兴 技术发展起来了，这就是软 PLC 技术。其特征是：在保留 PLC 功能的前提下，采用面 向现场总线网络的体系结构，采用放的通信接口，如以太网、高

3、速串口等；采用各种 相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准；全部用软件来实现传统 PLC 的功能。二、系统结构和应用特点二、系统结构和应用特点（一）系统结构软 PLC 基于 PC 机，建立在一定操作系统平台之上，通过软件方法实现传统 PLC 的计算、控制、存储以及编程等功能，通过 IO 模块以及现场总线等物理设备完成现场 数据的采集以及信号的输出。根据传统 PLC 的组成结构，软 PLC 系统由开发系统和运 行系统两部分组成。也可分为编辑环境和运行环境两部分。编辑环境与运行环境是客 户服务器模式，二者之间采用 COMDCOM 通信机制，运行环境作为 COM 服务器，提 供标准的通信接口；编辑

4、环境作为 COM 客户端应用，本地或远程访问存取这些接口 ，进行下载代码、读取运行环境的运行信息等操作。软 PLC 系统的整体框图如图 1 所 示。图图 1 软软 PLC 系统的整体框图系统的整体框图嵌入式系统通常由 EPC 或嵌入式控制器（也称智能控制器）和嵌入式软件组成， 嵌入式软件又分为嵌入式操作系统和嵌入式应用程序，嵌入式操作系统的特点是程序 短小、所需内存少，Mi-crosoft 公司推出的 WindowsCE 就是一个嵌入式操作系统，而 软 PLC 可以作为一个嵌入式应用程序运行在嵌入式系统中。软 PLC 开发系统和运行系统是相互独立而又密不可分的两个应用程序，可以分别 单独运行。

5、1软 PLC 开发系统软 PLC 开发系统实际上就是带有调试和编译功能的 PLC 编程器，此部分具备如下 功能：编程语言标准化，遵循 IEC61131-3 标准，支持多语言编程（共有 5 种编程方 式：IL，ST，LD，FBD 和 SFC），编程语言之间可以相互转换；丰富的控制模块， 支持多种 PID 算法（如常规 PID 控制算法、自适应 PID 控制算法、模糊 PID 控制算法 、智能 PID 控制算法等等），还包括目前流行的一些控制算法，如神经网络控制； 开放的控制算法接口，支持用户嵌入自己的控制算法模块；仿真运行，实时在线监 控，在线修改程序和编译；强大的网络功能。支持基于 TCPIP

6、 网络，通过网络实现 PLC 远程监控，远程程序修改。2软 PLC 运行系统这一部分是软 PLC 的核心，完成输入处理、程序执行、输出处理等工作。通常由 I O 接口、通信接口，系统管理器、错误管理器、调试内核和编译器组成：IO 接口， 可与任何 IO 系统通信，包括本地 IO 系统和远程 IO 系统，远程 IO 主要通过现场总线 InterBus，ProfiBus，CAN 等实现；通信接口。通过此接口使运行系统可以和开发系 统或 HMI（或 MMI）软件按照各种协议进行通信，如下载 PLC 程序或进行数据交换 ；系统管理器，处理不同任务和协调程序的执行，而且从 IO 映像读写变量；错误 管理

7、器，检测和处理程序执行期间发生的各种错误；调试内核，提供多个调试函数 ，如重写、强制变量、设置断点、设置变量和地址状态；编译器，通常开发系统将 编写的 PLC 源程序编译为中间代码，然后运行系统的编译器将中间代码翻译为与硬件 平台相关的机器可执行代码（即目标码）。（二）技术实现以西门子公司开发的软件 PLC 产品为例说明它的构成方式。第一种，在 PC 机上安装专用程序，使 PC 机用作为可编程控制器。该 PC 机上的操 作系统是基于实时功能的，如：WindowsNT 或 WindowsCE 或 Linux 等，在西门子开 发的应用软件 Pro-ToolPro 的支持下，实现控制和监视，在编程软

8、件 STEP7 支持下， 提供用户编程环境。该 PC 机上还集成了现场总线 Profibus-DP 的通信协议及 Profibus- DP 接口，用以实现与分布式 IO 及其他现场设备的连接。第二种，将软 PLC 做成一块插板，安装在 PC 机的 PCI 总线插槽上。该 PLC 是可以 独立工作的微机系统，与 PC 机无关，如有需要甚至可以用自身独立提供的电源。PC 机可以容纳数个插槽式的 PLC，并把它们当作集成模块，在操作系统支持下既独立又协调地工作。这种软 PLC 对操作系统、控制软件和编程软件的要求与第一种相同。在 PC 机的平台上，实现编程、运行、操作、监控数据存储及状态显示功能。当

9、对实时控制的要求较低时，一般使用第一种结构，专用软件就直接安装在 Windo wsNT 中，也可用带实时扩展子系统的软件，提高实时控制性能。如果对控制器的可靠 性和控制性能要求较高，可选择插槽式 PLC，因为它拥有自己的操作系统，有可靠的 数据存储和准确的重新启动功能。（三）应用特点应用特点为：体现了 IPC，PLC 和 DOC 先进技术的集成。可充分利用 PC 平台上 的硬件和软件资源，使控制系统更具特色；系统更开放，应用更方便。软件 PLC 通 过自己开发工具提供的 OPC 功能和 Active 控件，既可连接 Office 软件，也可连接用 V B，VC 开发的软件；基于 PC+现场总线

10、+分布式 IO 的控制系统简化了复杂控制系统 的体系结构，提高了通信效率和速度，降低了投资成本。三、技术优势及其发展的制约因素（一）技术优势软 PLC 解决了传统 PLC 的兼容性差、通用性差等问题，具有多方面的优势。软 PLC 的硬件体系结构不再封闭，用户可以自己选择合适的硬件组成满足要求的软 PL C。传统 PLC 的指令集是固定的，而实际工业应用中可能需要定义算法。软 PLC 指令 集可以更加丰富，用户可以使用符合标准的操作指令。PC 机厂家的激烈竞争使得基于 PC 机的软 PLC 的性价比得以提高。传统 PLC 限制在几家厂商生产，具有私有性，因此很难适应现有标准计算机网络 ，常常是

11、PLC 与计算机处在不同类型的网络中。软 PLC 不仅能加入到已存在的私有 P LC 网络中，而且可以加入到标准计算机网络中。这使得现有计算机网络的很多研究成 果很容易地应用到 PLC 控制技术中。软 PLC 的技术是基于 IEC61131-3 标准的，因此在掌握标准语言后开发就比较容 易。（二）发展的制约因素尽管软 PLC 技术具有很大的发展潜力，但是这项技术的实现需要解决一些重要的问 题。其中主要是以 PC 为基础的控制引擎的实时性问题。软 PLC 首选的操作系统是 Wi ndowsNT，但是它并不是一个硬实时的操作系统。传统 PLC 具有硬实时性，正因为如 此它才能提供快速、确定而且可重

12、复的响应。而要让 WindowsNT 具有硬实时性，必须 对它进行扩展，使得 PC 的控制任务具有最高的优先级，不因为 NT 的系统功能和用户 程序的调用而被抢占。现在，我们可以通过一些方法将实时性能加入到 NT 系统中去。比如，修改 NT 的硬件抽象层，或者 NT 与一种经过实用验证的硬实时操作系统组合 。另外，WindowsCE 等操作系统具有了 NT 在硬实时性方面所不具备的特性。在实际 开发中也可使用其他的操作系统作为平台。四、软四、软 PLC 技术应用控制方案技术应用控制方案根据软 PLC 运行的硬件平台的不同，其控制功能的实现方案有以下三种。1基于 IPC 或 EPC 的控制方案在

13、这种控制应用方案中，系统的软件平台可以采用 WindowsNT，WindowsCE 或 Lin ux 等，通用 IO 板卡和 IO 接线端子板（或现场总线卡、现场总线以及远程 IO 模块） 负责与工业控制现场打交道。采集上来的输入信号被软 PLC 运行系统处理，软 PLC 开 发系统（编程器）编写的控制应用程序也被软 PLC 运行系统解释执行，最后将处理后 的信号输出到本地（或远程）控制现场完成相应的本地控制（或远程控制）功能，及 其控制方案和过程。2基于嵌入式控制器或智能控制器的控制方案嵌入式控制器是一个超小型计算机系统，一般没有显示器，其软件平台是嵌入式操 作系统（如 WindowsCE）

14、。在这种控制方案中，软 PLC 运行系统可以作为一个固件被 安装到嵌入式控制器中，开发系统编写的应用程序通过 RS232 或 TCPIP 协议下载到此 控制器中，因此整个系统就如同一个黑盒子运行并完成指定的控制功能。3基于传统 PLC 的控制方案。在这种方案中，传统 PLC 将只作为一个硬件系统平 台，将软 PLC 运行系统安装到此传统 PLC 硬件中，然后将开发系统编写的 PLC 应用 程序下载到此硬件系统并运行，即可实现 PLC 的控制功能。五、结束语五、结束语软 PLC 技术相对于传统 PLC，以其开放性、灵活性和较低的价格占有很大优势。它 简化了工厂自动化的体系结构，把控制、通信、人机

15、界面及各种特定的应用全都合为 一体，运用于同一个硬件平台上。软 PLC 技术也存在着一些问题，例如，由于软 PLC 的运行环境是 Windows 操作系统，所以实时性不强；定时器最大存在一个扫描周期的 误差；扫描周期较长等。但是，这些问题可以通过改变运行环境、改进执行算法等方 法加以解决。只要它们能实现控制的时间确定性，即保证能以时间高度一致的方式执 行控制指令序列，并具有可预测的结果或行为。软 PLC 在未来的工业电气控制中定会 占据重要的席位。成为继现场总线技术发展的新亮点。基于软 PLC 编译系统的开发与实现摘要：为了配合在 PC 机上运行的软 PLC 编辑开发系统，使 PC 机完成相应

16、的控 制功能，设计和开发了软 PLC 编译系统。本文简述了软 PLC 编译系统的组成以 及软 PLC 梯形图和指令表的遍历算法，介绍了软 PLC 梯形图与指令表程序相互 转换的实现过程。软 PLC 控制技术是基于软件和硬件在逻辑功能上等效的思想，采用开放式 体系结构，通过软件来实现 PLC 硬件的功能。软 PLC 系统由上位机和下位机组 成，上位机为用户提供编辑界面和多种编程语言环境，便于用户在 PC 机上进行 PLC 程序的编辑，同时还对下位机的一些状态量进行监控，并给下位机发送指 令。用户编辑完 PLC 的梯形图和指令表程序后，只有通过对程序的编译来获取 程序的逻辑后才能按照 PLC 的工作原理运行。为了配合在 PC 机上运行的软 PLC 编辑开发系统，使 PC 机完成相应的控制功能，开发了软 PLC 编译系统。1、软 PLC 程序编译系统的组成PLC 编译模块由梯形图语法检查模块、梯形图程序逻辑检查模块和指令表 程序语法检查模块组成。梯形图程序语法检查模块检查用户 PLC 图形程序有无 指令标记重复、指令地址越界等语法错误；梯形图程序逻辑检查